JP2020115980A - 生体情報センサ及び生体情報計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成により精度よく生体情報を検出することができる生体情報センサ及び生体情報計測システムを提供する。【解決手段】所定周波数のマイクロ波を放射するための送信アンテナと、前記送信アンテナから放射されたマイクロ波を受信するための受信アンテナとを所定形状寸法に形成した基板に固定してなる生体情報センサであって、前記送信アンテナは、送信電力を経時的な電位変化に変換するための送信変換部と、前記送信変換部に接続されて、前記電位変化に基づいてマイクロ波を放射する送信導波器とを備え、前記受信アンテナは、受信したマイクロ波を受信電力に変換するための受信変換部と、前記受信変換部に接続されて、受信したマイクロ波に基づいて受信電力を生成する受信導波器とを備え、前記送信導波器と前記受信導波器とが、所定の距離だけ互いに離隔させて前記基板上に固定されている生体情報センサである。【選択図】図１

Description

本発明は、生体情報センサ及び生体情報計測システムに関する。

病院、介護施設、家庭等での患者、家族等の世話をする上で、それらの人の見守りは重要な位置を占める。適切に見守りをすることで、患者等の容態、状況に異変があれば適時に対応をとることができ、また患者等が、転倒等の不慮の事故に遭うのを防ぐことができる。

しかし、一方で、特に病院、介護施設のように見守り対象の人が多い場合、看護師、介護士、家族等の関係者が個々の見守り対象者のベッド、居室等を巡回しつつ、継続して各見守り対象者の状況を把握することは、担当する関係者に緊張を伴う労働を要求する。少子高齢化が急速に進行しつつある状況では、このような労働環境で必要な労働力を確保することも難しいという問題もある。

また、自動車等の車両運転中における当該運転者の身体状況を把握する等の目的で、心拍、呼吸などの身体状況を表す生体情報を、運転者を煩わせることなく非接触でモニタするという需要もある。

そこで、上記のような需要に対応すべく、種々の技術的提案がされている。例えば、特許文献１には、マイクロ波ドップラーレーダーを用いて、体動、呼吸、脈波を検出する検出部を備えた睡眠段階判定装置等が記載されている。また、特許文献２には、被検者にマイクロ波を照射し前記被検者から反射される反射波に基づき前記被検者の呼吸状態を判定する呼吸判定装置が記載されている。また、特許文献３には、極めて簡易且つ安価な回路構成で、被測定者である人体の脈拍を非接触にて検出すべく、第一ヘリカルアンテナ６０２から送信するＶＨＦ帯の電波を第二ヘリカルアンテナ６０３で受信し、これら信号をそれぞれＡＭ検波し、ミキサで生体信号を抽出する構成が提案されている。

特開２０１６−１０７０９５号公報 特許５７７６８１７号公報 特開２０１６−１７４８７５号公報

特許文献１，２は、いずれも対象に向けてマイクロ波を照射して、その反射波を計測することによって、対象の呼吸の状態等の生体情報、あるいは対象の動きなどを非接触で検出する構成を採用している。これにより、見守り対象の世話をする看護師等は、各見守り対象のベッド等を巡回して目視でその状態を確認する必要がなくなると考えられる。

しかし、マイクロ波照射の反射波を利用する構成では、反射波を適切に受信するために、見守り対象の比較的狭い領域に、マイクロ波をスポット的に照射する必要があるため、見守り対象が姿勢を変えたり移動したりする場合に適切に反射波を受信するのが困難なことがある。また、一般に用いられる、１０ＧＨｚオーダーのマイクロ波送信機は、安定動作のために回路設計、使用部品に高い精度が求められるため、製品コストを抑えることが難しいという問題もあった。

また、特許文献３は、例えば図５、６に示されるように、送信アンテナと受信アンテナとを分離することにより、低い周波数帯の電波を使用しても良好な指向性を実現できるとしている。しかし、送信アンテナと受信アンテナとが離れているために、測定対象である人体の脈拍等の生体情報だけでなく、その周囲にある事物の動きや電磁気環境による外乱を拾いやすく、生体情報の測定精度を高めることが難しいといった問題もあった。

本発明は、上記の及び他の課題を解決するためになされたもので、簡易な構成により精度よく生体情報を検出することができる生体情報センサ及び生体情報計測システムの提供を一つの目的としている。

上記の及び他の目的を達成するための、本発明の一態様に係る生体情報センサは、所定周波数のマイクロ波を放射するための送信アンテナと、前記送信アンテナから放射されたマイクロ波を受信するための受信アンテナとを所定形状寸法に形成した基板に固定してなる生体情報センサであって、前記送信アンテナは、送信電力を経時的な電位変化に変換するための送信変換部と、前記送信変換部に接続されて、前記電位変化に基づいてマイクロ波を放射する送信導波器とを備え、前記受信アンテナは、受信したマイクロ波を受信電力に変換するための受信変換部と、前記受信変換部に接続されて、受信したマイクロ波に基づいて受信電力を生成する受信導波器とを備え、前記送信導波器と前記受信導波器とが、所定の距離だけ互いに離隔させて前記基板上に固定されている。

前記送信変換部及び前記受信変換部は、それぞれ板状誘電体材料を導電体層ではさみこんでなるマイクロストリップアンテナとして構成することができる。

前記送信導波器と前記受信導波器とはいずれも細長い棒状の導電部材として前記基板上に前記所定の距離だけ互いに離隔させて並置することができる。

前記の生体情報センサと、所定周波数のマイクロ波を空間に送出すべく送信電力を生成するマイクロ波送信部と、前記マイクロ波送信部から送出されて前記測定対象の近くを伝播してきたマイクロ波である通過波を受信するマイクロ波受信部と、受信した前記通過波の信号である通過波受信信号を、前記マイクロ波送信部からのマイクロ波信号を用いて復調する復調部と、前記復調部から出力される復調信号の振幅及び位相を経時的に測定することにより、前記測定対象の状態を監視する解析部とを備える生体情報測定システムも、本願発明の一態様をなす。

本発明の一態様によれば、簡易な構成により精度よく生体情報を検出することができる生体情報センサ及び生体情報計測システムを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る呼吸センサ１０の斜視図である。 図２は、呼吸センサ１０の平面図である。 図３は、呼吸センサ１０の側面図である。 図４は、送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂの模式斜視図である。 図５は、呼吸センサ１０を含む呼吸計測システム１の模式図である。 図６Ａは、比較例の出力波形を示す図である。 図６Ｂは、本実施例の出力波形を示す図である。 図７は、呼吸計測システム１に含まれる呼吸計測装置１００の構成を例示するブロック図である。

以下、本発明につき、その一実施形態に即して図面を用いて説明する。

＜呼吸センサの構成＞
まず、本実施形態に係る呼吸センサの構成例について説明する。図１に、本実施形態に係る呼吸センサ１０の斜視図を、図２に、図１の呼吸センサ１０の平面図を、図３に、その側面図を示している。

図１〜３に示すように、本実施形態の呼吸センサ１０は細長い板状又はシート状の基板１６を用いて形成されている。呼吸センサ１０の基本的な構成は、マイクロ波の送信アンテナと受信アンテナとを比較的近くに並置してなる電波送受信ユニットである。

前記のように、基板１６は細長い板状又はシート状に形成されており、直流的に電気絶縁性を有する誘電体を材料としている。典型的には各種プラスチック材料により形成することが経済的にも好ましい。

基板１６の一端部近傍には、一対の送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂが、いわゆるマイクロストリップアンテナの形態で、前記基板１６の一方の主面１６１に設けられている。図２に例示する送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂは、それぞれ方形を有し、基板１６の主面１６１に基板１６の幅方向に並べて固定されている。図４に、送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂ単体の模式斜視図を示す。送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂは、方形となした誘電体基板１２ａ３、１２ｂ３の両面に導体層１２ａ１、１２ｂ１、１２ａ２、１２ｂ２が設けられてなる平面アンテナである。誘電体基板１２ａ３、１２ｂ３としては、例えば一般的なプリント基板に用いられるガラスエポキシ基板、各種プラスチック・セラミクス材料が好適に用いられる。導体層１２ａ１、１２ｂ１、１２ａ２、１２ｂ２は、一般には銅箔として設けることができる。送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂの寸法は、使用する電波の波長により規定される。例えば、周波数２．４ＧＨｚのマイクロ波を用いる場合、送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂの平面寸法は、１／２波長として一辺約３０ｍｍとなる。なお、送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂの平面形状は、方形に限られず、設計上の要請等によって円形等の他の形状としてもよい。またその寸法も、前記の波長との関係に制約されるものではない。

送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂの基板１６と対向する側の導体層１２ａ２、１２ｂ２からは、基板１６を貫通してその他方の主面１６２上に露出する導体路が設けられる。この導体路からは、送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂに対応して、送信導波器１４ａ、受信導波器１４ｂ（以下「導波器１４ａ，１４ｂ」と総称することがある）が設けられている。各導波器１４ａ、１４ｂは、基板１６の主面１６２上に前記導体路露出部から基板１６の送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂ設置端部と反対側の端部に向けて延設された導体パターンである。図示の実施形態では、送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂの側から基板１６の長手方向に沿ってそのほぼ全長にわたって、導波器１４ａ、１４ｂが所定の間隔をおいて並置されている。導波器１４ａ，１４ｂは、例えば銅箔パターン、細い導電ワイヤ等で構成することができる。導電性が良好であること、呼吸センサ１０を人体に接するように配置するためにパターンの厚さやワイヤの径が過大とならないように留意することを除けば、導波器１４ａ，１４ｂについて寸法形状の上で特に制約はない。

呼吸センサ１０において、送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂと、それぞれの導体層１２ａ１、１２ｂ１と電気的に接続された状態で基板１６の反対側に延設されている導波器１４ａ、１４ｂとが、送信アンテナ１０ａ、受信アンテナ１０ｂを構成している。

送信アンテナ１０ａ、受信アンテナ１０ｂは、それぞれモノポールアンテナとして機能する。このため、送信アンテナ１０ａの送信変換部１２ａにおいて、導波器１４ａが接続されている導体層１２ａ１には、後述する呼吸計測装置１００の送信部の出力が接続される。すなわち、導体層１２ａ１には送信部からの送信ケーブル２０ａの芯線が、導体層１２ａ２には送信ケーブル２０ａのシールドが接続される。これにより、送信変換部１２ａの導体層１２ａ２は送信ケーブル２０ａのシールドを介してグランドに接続される。同様に、受信アンテナ１０ｂの受信変換部１２ｂにおいて、導波器１４ｂが接続されている導体層１２ｂ１は、呼吸計測装置１００の受信部の入力に接続される。すなわち、導体層１２ｂ１は受信部からの受信ケーブル２０ｂの芯線に、導体層１２ｂ２は受信ケーブル２０ｂのシールドが接続される。これにより、受信変換部１２ｂの導体層１２ｂ２は受信ケーブル２０ｂのシールドを介してグランドに接続される。

送信アンテナ１０ａの送信変換部１２ａ及び送信導波器１４ａには、呼吸計測装置１００の送信部から所定周波数、所定振幅の矩形電圧信号を供給する。送信導波器１４ａからは、この矩形電圧信号から前記所定周波数の電界変化が生成される、すなわち電波が空間に放射される。例えば前記矩形電圧信号の周波数が２．４ＧＨｚであるとすれば、該当周波数のマイクロ波が空間に放射される。受信アンテナ１０ｂでは、送信アンテナ１０ａから放射された電波を、送信アンテナ１０ａの送信導波器１４ａと受信アンテナ１０ｂの受信導波器１４ｂとの間の距離を隔てて受信する。本実施形態の呼吸センサ１０は、人の胸部に隣接させて設置することにより、送信アンテナ１０ａから放射された電波が受信アンテナ１０ｂで受信されるまでに、人の胸部の近傍を通過する通過波となる。その場合、呼吸に伴う人の体表の変位に基づいて、通過波の振幅及び位相に影響が与えられるので、本呼吸センサ１０では、その影響を解析することによって人の呼吸数を計測することができるものである。

図５に、本呼吸センサ１０を用いた呼吸数の計測システムの一例を示している。ベッドＢの上に、呼吸計測対象の人Ｈが仰臥しているとする。この場合、呼吸センサ１０を、人Ｈの背側においてその胸部を横切るように設置する。呼吸センサ１０はベッドＢに敷くシーツの上に人Ｈの動きによって動かないように固定することができる。あるいは、シーツの裏に貼り付けてもよい。あるいは、シーツの幅方向に互いに離隔させて一定幅の導電性繊維部分を設け、当該導電性繊維部分を送信アンテナ１０ａと受信アンテナ１０ｂとして作用させるようにしてもよい。この場合、シーツに呼吸センサ１０を一体的に組み込むことが可能となりシステム構成が簡素化される。

なお、受信した通過波の解析処理を調整することにより、呼吸に限らず心拍等の他の生体情報を計測するように構成することもできる。また、計測対象は、人Ｈに限らず、イヌ、ネコ等の他の生物であってもよい。

さらに、呼吸センサ１０を乗用車の座席などの人Ｈが着座するシートの背部に設置すれば、人Ｈが自動車を運転している間の呼吸数等の生体情報を、人Ｈをわずらわせることなく継続的に計測することが可能である。

＜呼吸センサ１０の実施例とその効果＞
以下に、呼吸センサ１０の実施例について説明する。呼吸センサ１０の構成例は次の通りである。なお、形状や寸法はあくまで本実施例としての例示であり、本発明の範囲内で適宜変更して実施することができる。

・基板：長さ８００ｍｍ、幅１２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのプラスチックシート
・送信変換部１２ａ、受信変換部１２ｂ：一辺５０ｍｍの方形に形成された、両面に銅箔による導体層を有するガラスエポキシ基板からなるマイクロストリップアンテナ
・導波器１４ａ，１４ｂ：長さ７３０ｍｍ、幅３ｍｍの銅箔パターン
上記の送信アンテナ１０ａ、受信アンテナ１０ｂについて、導波器１４ａ，１４ｂ同士の間隔を２０ｍｍとして、呼吸計測装置１００の送信部から周波数２．４ＧＨｚ、−２２．５ｄＢｍの無変調波を供給して送受信間での位相差、振幅の変化を観測した。

一方、同一室内において、上記の送受信部を２ｍ程度離して設置して同様の送信条件により送受信間での位相差、振幅の変化を観測した（比較例）。ここでは、送信波と受信波との周波数変動成分を、同相のＩ波、９０°位相をずらしたＱ波として取り出した。その結果を図６Ａ、図６Ｂに示している。図６Ａを参照すると、比較例のＩ波、Ｑ波はそれぞれ０Ｖレベルから浮いており、波形自体も伝搬時の外部雑音が重畳されて乱れているのがわかる。一方、図６Ｂの本実施例の場合、Ｉ波、Ｑ波ともに０Ｖレベルからの浮き上がりもなく、波形も整っているのがわかる。この差異は、呼吸センサ１０の上に人体が位置することで、周辺事物の移動などによる外乱が遮断されていることによると考えられる。このように、本実施例の呼吸センサ１０を用いることにより、測定環境からの影響を低減して雑音の少ない高精度の計測を実現することが可能となった。

このように、本実施形態の呼吸センサ１０によれば、計測対象となる人の生体活動以外の他の事物や周囲の電磁気的環境の影響を排除しながら、簡易な構成により精度よく対象の呼吸数等の生体情報を計測することができる。

＜呼吸計測装置の構成＞
次に、図５の呼吸計測システム１に含まれる呼吸計測装置１００について説明する。図７に、呼吸計測装置１００の構成例を機能ブロック図で示している。呼吸計測装置１００は、マイクロ波（通過波）の生成、送出、受信、及び受信した通過波の解析の機能を果たす。図６に示すように、呼吸計測装置１００は、マイクロ波発振部１１０、分配器１２０、送信増幅部１３０、受信増幅部１４０、直交復調回路１５０（復調部）、解析部１６０、通信部１７０、及び電源部１８０を備えている。マイクロ波発振部１１０、分配器１２０、及び送信増幅部１３０はマイクロ波送信部、受信増幅部１４０はマイクロ波受信部と捉えることができる。

マイクロ波発振部１１０は、所定の周波数のマイクロ波を発生するための発振回路であり、電圧制御発振器（ＶＣＯ）等の適宜の形式の発振器を含む。本システム１では、周波数が２．４ＧＨｚの正弦波形を有するマイクロ波を使用しているが、これより低い周波数（１００ＭＨｚオーダー）のマイクロ波を使用することもできる。このような比較的低い周波数のマイクロ波を使用することができるのは、反射波を検出する形式の場合ほど高分解能を要求されないためである。比較的低い周波数のマイクロ波を使用することで、発振回路に要求される精度も抑えられ、製造コスト低減が可能となっている。

マイクロ波発振部１１０で生成されたマイクロ波信号（正弦波信号）は、分配器１２０に入力され、送信増幅部１３０と直交復調回路１５０とに分配されて出力される。分配器１２０としては、使用する周波数に応じた分配特性を有する高周波分配器を使用することができる。直交復調回路１５０に出力される信号については後述する。

分配器１２０からの出力の一方は、送信増幅部１３０に入力される。送信増幅部１３０では、分配器１２０からのマイクロ波信号の電力増幅が行われ、増幅されたマイクロ波信号は、送信アンテナ１０ａから空間に送出される。以上が呼吸計測装置１００のマイクロ波送信側の構成である。

一方、空間を伝播したマイクロ波である通過波は、受信アンテナ１０ｂによって受信され、受信増幅部１４０に入力される。通過波の信号は、受信増幅部１４０で電力増幅され、直交復調回路１５０に入力される。電力増幅された通過波信号を、通過波受信信号と呼ぶ。直交復調回路１５０には、前記のように、分配器１２０の一方の出力信号が入力されている。

直交復調回路１５０では、通過波受信信号に対して分波器１２０から入力されるマイクロ波送信信号を乗算して直交復調処理を施し、同相成分であるＩ信号と直交成分であるＱ信号とを抽出する。この直交復調処理には、分配器１２０からの送信信号そのものが使用されるので、受信信号と送信信号とを精度よく同期させることができ、その結果、Ｉ信号、Ｑ信号を正確に得ることができる。なお、直交復調回路１５０に限らず、通過波受信信号を包絡線検波することによって振幅を取り出すように構成することもできる。

図２の直交復調回路１５０から出力されたＩ信号、Ｑ信号は、解析部１６０に入力され、受信信号の振幅変動が継続的にモニタされる。

解析部１６０での解析結果データは、通信部１７０に入力される。通信部１７０は、ＬＡＮ、インターネット等の通信ネットワークとの通信制御を行うインタフェースを備え、例えばネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）等のハードウェアを含む。通信部１７０は、携帯端末、サーバコンピュータ等の外部装置とデータ通信を行い、それによって解析結果データ等を外部装置に送出することができる。電源部１８０は、ＡＣＤＣコンバータ、トランス等を含む電力変換回路であり、例えば商用交流電源から電力供給を受け、必要な電力変換を行った後、呼吸計測装置１００の各部に電力を供給する機能を有する。

以上の呼吸計測装置１００によれば、呼吸センサ１０によって計測された呼吸数等の生体情報を、計測対象から離れた場所にも伝送することができ、看護者や介護者は、入院患者等の状態を直接目視で確認する必要なく、離床、就床状態、及び呼吸の状態を継続して監視することができ、労力軽減を図ることができる。

なお、以上の実施形態では、本発明を呼吸計測システムとして実施した場合を例示して本発明を説明した。本発明では、呼吸計測に限らず、心拍、血流、四肢のけいれん等の生体情報を、経時的に取得することができる。

本発明の技術的範囲は上記の実施形態に限定されることはなく、他の変形例、応用例等も、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内に含まれるものである。

１ 呼吸計測システム
１０ 呼吸センサ
１０ａ 送信アンテナ
１０ｂ 受信アンテナ
１２ａ 送信変換部
１２ｂ 受信変換部
１４ａ 送信導波器
１４ｂ 受信導波器
１６ 基板
１００ 呼吸計測装置
１１０ マイクロ波発振部
１２０ 分配器
１３０ 送信増幅部
１４０ 受信増幅部
１５０ 直交復調回路
１６０ 解析部
１７０ 通信部
１８０ 電源部

Claims (4)

1. 所定周波数のマイクロ波を放射するための送信アンテナと、前記送信アンテナから放射されたマイクロ波を受信するための受信アンテナとを所定形状寸法に形成した基板に固定してなる生体情報センサであって、
   前記送信アンテナは、送信電力を経時的な電位変化に変換するための送信変換部と、前記送信変換部に接続されて、前記電位変化に基づいてマイクロ波を放射する送信導波器とを備え、
   前記受信アンテナは、受信したマイクロ波を受信電力に変換するための受信変換部と、前記受信変換部に接続されて、受信したマイクロ波に基づいて受信電力を生成する受信導波器とを備え、
   前記送信導波器と前記受信導波器とが、所定の距離だけ互いに離隔させて前記基板上に固定されている、
   生体情報センサ。
2. 前記送信変換部及び前記受信変換部は、それぞれ板状誘電体材料を導電体層ではさみこんでなるマイクロストリップアンテナとして構成されている、請求項１に記載の生体情報センサ。
3. 前記送信導波器と前記受信導波器とはいずれも細長い棒状の導電部材として前記基板上に前記所定の距離だけ互いに離隔させて並置されている、請求項１又は２に記載の生体情報センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の生体情報センサと、
   所定周波数のマイクロ波を空間に送出すべく送信電力を生成するマイクロ波送信部と、
   前記マイクロ波送信部から送出されて前記測定対象の近くを伝播してきたマイクロ波である通過波を受信するマイクロ波受信部と、
   受信した前記通過波の信号である通過波受信信号を、前記マイクロ波送信部からのマイクロ波信号を用いて復調する復調部と、
   前記復調部から出力される復調信号の振幅及び位相を経時的に測定することにより、前記測定対象の状態を監視する解析部と、を備える
   生体情報測定システム。